三维激光纳米打印

在1931，未来的诺贝尔奖得主Maria Göppert-Mayer发表了关于原子双光子吸收理论的博士论文。直到30年后，这个现象才在实验中被观察到，而且它又花了三年的时间才通过双光子诱导荧光显微术在生命科学中得到应用。 同时，在1997，日本大阪大学的Shoji Maruo和同事开创了另一种双光子吸收的应用：通过光聚合物固化的三维微细加工。这种技术通常被称为双光子3D激光纳米打印，与普通3D打印类似。但是，顾名思义3D纳米印刷技术更为精细。在基于这个特征，研究人员们回顾了这项技术，并展望了它的发展方向。
双光子魔术 
      什么是“魔法”的双光子吸收，而不是单光子吸收？答案就在于激光聚焦的尾部。在涉及激光和典型液体光致抗蚀剂的3-D打印中，光诱导光致抗蚀剂中的化学反应，由被称为光引发剂的分子介导，该分子以约1%的浓度混合到抗蚀剂中。该反应使液体抗蚀剂开始以单体形式进入交联的固态状态聚合物。在扫描三个维度的激光焦点后，用“光笔”写入所需的结构，在所谓的显影阶段，用丙酮等溶剂洗去剩余的液体。
       局部交联的量取决于累积吸收剂量。因此，对于单光子吸收，激光聚焦的尾端可以在多次曝光下叠加，强烈地扭曲所需的模式——例如，尾端相对于聚焦最大值1%的强度，在100多次曝光下叠加会达到最大值的100%。与之形成鲜明对比的是，对于双光子吸收，吸收剂量与局部强度的平方成正比。因此，1%的尾部贡献相对于聚焦最大值的强度为0.01的平方为 0.0001。叠加起来超过100次的曝光导致的有效暴露的尾部面积是微不足道的1%。
       显然，双光子吸收对于平面2D光学光刻之类的应用是不必要的，甚至对于几何简单的物体如单个点或线的3D光刻来说是不必要的。然而，对于复杂的3-D体系结构来说，这是至关重要的，它需要许多不同的个体曝光，并且能够构建具有难以想象的精细尺度特征的对象。
超过了光的波长 
       在3D激光纳米打印中，单个点的曝光会导致所谓的体素，即与2D图像元素或像素相似的3D立体像素。体素的大小可以比光的波长小得多，因为光阻剂有效地充当一个强大的非线性体：所谓的阈值模型，低于一定的最低照射剂量，材料不充分交联，研究人员曝光出来之后，而超过这个阈剂量的物质依然存在。 在这个模型中，可以获得任意小的体素或线宽——对于可获得的最小特征尺寸没有衍射极限。然而，当写两个相邻曝光时剂量叠加，在曝光之间的某个最小距离以下，两个剂量的最大值合并为一个，一个更大的、单一的体素结果。这种转变，称为双光子麻雀标准，意味着与数值孔径透镜(NA)为1.4,最小横向分离是大约四分之一的波长，对于800nm的波长来说体素之间的分离必须量必须为200 nm。
      轴向分辨率就没那么好了。当使用单一物镜时，光只从一个半空间聚焦，因此，一半的光波向量丢失了，体素在轴向上被拉长了至少两倍。典型的最佳值实际上在2.5左右，导致轴向分辨率在500纳米左右。受激发射损耗(STED)可以进一步提高这个值。
评估打印速度 
       如上所述，双光子3D激光纳米打印是一个串行写入过程，但这并不一定会使其变慢。不同的加法制造方法之间速度比较的一个度量标准是每秒体素的速率，它可以理解为数字信息转换成硬件的速度。 下面的图表显示了几种打印技术的“细度”水平(通过反向体素大小来衡量)与它们每秒的书写速度(以体素为单位)之间的八个数量级的关系。直线对角线绘制的是每次印刷量恒定的线条。沿着这些对角线看一下就会发现，尽管双光子打印在绝对体积打印速度上看起来很慢，但在体素打印速度上却远不是很慢，因为它可以解决非常精细的体素尺寸。绝对容积率本身是没有意义的，如果它有意义，那么一个人可以通过把一桶光阻剂暴露在一盏小灯的闪光下来达到一个新的世界速度记录。

增材制造：速度与特征尺寸，反体素尺寸与印刷速度的比较平行的灰色对角线是恒定的每秒3D打印体积的线条。

同样有趣的是，与直觉相反，双光子多聚焦装置的总打印速度(到目前为止)比最好的单聚焦打印速度慢。这在很大程度上还是由双光子吸收的物理原理造成的。在一个单一的集中装置中，假设这不是技术上的限制的速度扫描激光焦点,只有激光功率才是，就出现了对焦速度时增加了十倍的结果，双光子吸收速率必须增加相同的因素保持接触条件恒定。因为双光子吸收成平方取决于激光强度,然而，激光功率需要只增长了10½倍约3.16倍。相比之下，使用10个激光对焦而不是快速扫描激光对焦来提高10倍的打印速度，则需要增加10倍的激光总功率。
        当增加聚焦速度不再可能时，情况就会改变。目前，聚焦速度在0.1 m/s左右是最先进的，共振振镜扫描仪支持高达几米/秒的速度。然而，对于描述复杂的三维结构，加速度的时间跨度振镜扫描仪内外焦点显微镜物镜的视场(通常直径大约300µm)变得越来越有问题。与光调制器同步的从控制计算机到振镜扫描仪的数据也变得越来越困难，增加了运行时间。 正如这些考虑所表明的，比较不同技术的打印速度，甚至不同的双光子打印装置会有很多复杂的地方，而且这种比较常常必须有所保留。尽管理论上应该比较所有技术的相同3D基准结构，但实际上该领域还没有达到这种一致性和成熟度。

图1：体素大小和麻雀准则:在双光子激光纳米冲洗中，光(红色)通过物镜紧紧聚焦并扫描最初的液体光阻剂，形成聚合路径(蓝色)。给定一个急剧的聚合阈值，体素的大小可以比波长(顶部)小得多。但是，如果两个相邻体素(灰色曲线)的个体剂量在光刻剂(底部)中相加，体素就会合并，从而限制了Sparrow标准下的分辨率。

三个挑战:更好、更快、更多

 尽管这项技术还处于发展成熟阶段，但最先进的双光子打印技术和商业上可用的基础设施已经允许建造一些令人眼花缭乱的微型结构。这项技术的商业化始于十多年前的2007年，并在过去几年得到了极大的发展。到目前为止，市场主要在学术界，用户来自光学和光子学、机械工程、化学、生物和医学院。 然而，最近的研究已经证实，双光子打印可以用于制造所谓的2.5D、复杂的工业微光学(包括自由曲面)的晶片级母版。一旦这种难以获得的母版被制成二光子印刷，它就可以通过软刻印、热压花和其他大规模生产兼容的工业方法进行复制。
       展望未来，就像3D打印一般，3D激光纳米打印面临三个发展挑战：制造更精细的结构、更快的速度和更多不同的材料。在这三者中，“更多材料”的挑战可能是最紧迫的。迄今为止，绝大多数已发表的研究成果只涉及单一材料。此外，大多数结构是被动结构，不能被裂解或降解使用。近年来，研究人员尝试了三种不同的方法来应对“更多”的挑战。
1、多抗蚀剂“墨盒” ：这种方法借鉴了当今的二维图形喷墨打印机。在将三维微结构的一部分写入第一光刻胶后，必须对结构进行显影和清洗，然后才能将第二光刻胶渗透、写入和显影。在前几年，这些步骤是手动执行的，操作员必须在双光子打印机和化学实验室之间来回多次，重新定标得到的三维精度均在亚微米水平。 利用集成到双光子打印机的专用微流控室，连接到所有相关的光阻剂和显影剂的传输系统，使这项任务变得简单多了。其高端光学系统强加一些挑战：可以限制自由工作距离到几百微米，进而限制了微流控室的高度。与此同时，一层薄薄的像差矫正玻璃衬底只有170μm厚，限制了可以适用于的过剩压力大约3 巴，甚至所涉及的各种各样的材料，从粘稠如蜜糖的光刻胶到粘性比水小一些溶剂，这意味着需要一个较大的压力的变化推动液体穿过狭窄的微流体通道。 然而，这样一个微流控系统与最先进的商业双光子打印机兼容，已经成功地设计、建造、用来创建首个3D 确定性荧光安全特性，创造出七种不同的液体：四种掺杂不同半导体CdSSe核壳量子点或染料分子的不同的光刻胶、一个作为3D支架的非荧光抗蚀剂、还有两种不同的溶剂。
2、单一抗蚀剂具有多种材料性能 ：另一种可能性是，在整个3D打印过程中只使用单一的光阻剂，但在书写过程中改变适当的刺激，控制每个体素。在这种刺激的作用下，抗蚀剂的性能发生变化，从而使单一抗蚀剂可能具有多种不同的材料性能。 可以调整的可想象的激励包括激光功率、激光波长或偏振态、准静态电场或磁场的强度和方向，或其他一些参数。在2019年的一次演示中，研究人员发现改变激光功率可以改变水凝胶与双丙烯酰胺交联剂的交联程度，从而控制得到的材料的杨氏模量和热膨胀系数的十倍变化。这反过来又使双材料结构的创造成为可能，这种结构可以通过温度变化几摄氏度或聚焦光功率只有几兆瓦的大激励来激活。
3、“变化的墨水”： 另一种能在一个工件上实现多种不同有效材料的方法是“元墨水”法，一种基于3D超材料最新进展的模拟二维图形混色打印中的方法。超材料是一种工程化的微纳米结构的材料，可以产生多种不同的机械、电气和光学特性。 对于双光子打印，在3D打印材料中创建这种超材料子结构对需要打印的体素数量提出了很高的要求。在最近的超材料中，多达1000个超材料晶体单元单元已经被实现，总共包含10亿到100亿个三维体素。显然，在实际应用中，需要更多数量级的超材料单元，并且体素和单元的尺寸需要缩小。 这又把研究人员们带回到未来发展的另外两个挑战：“更好”和“更快”。在更精细的特性方面，在没有任何衍射障碍的情况下基于STED的方法在3D中实现了更细节的特性。尽管在数十纳米尺度上的光学特性的潜力是存在的，但这一目标的进展近年来停滞不前，需要化学的帮助才能实现。
双光子打印能有多快? 
       关于“更快”的挑战，研究人员们期待在未来几年内能够取得实质性进展。即使是依靠现在的技术，单焦点双光子打印的速度可以提高一个数量级，或者通过推动几个技术杠杆来提高。 一种方法是提高聚焦速度，尽管这里存在一个自然的限制。随着聚焦速度的增加，在相邻飞秒光脉冲之间的时间间隔内，聚焦最终会移动一个可观的体素大小的分数。例如，在聚焦速度为10 m/s和脉冲重复频率为100 MHz(两个脉冲之间为10 ns)的情况下，暴露的体素之间的距离已经达到了100 nm。如果这个分离超过了体素的大小，相邻的体素就不再连接，就不能创建一个平滑的块。对焦速度的提高也需要对焦定位误差的相应降低，在所有三个空间维度上，以确保结构质量不会恶化。
       另一种提高总打印速度的方法是使用多个不同的激光聚焦，并行扫描甚至独立扫描。原则上，这将使速度提高一倍，与激光焦点的数量相等——尽管这里也有限制。例如，当不同的焦点过于接近时，它们的场会相互干扰，这可能会导致3D轴向分辨率的降低。在另一种极端情况下，最大的焦点分离受到显微镜镜头有限视场的限制。 此外，可用的激光光源在某种程度上成为一个问题。实验室采用平均光功率为3w的飞秒激光振荡器，而比其功率大的激光不能通过高数值孔径的显微镜物镜传送，否则会有损坏的危险。也许将来会有化学性质更灵敏的电阻来解决这个问题。
“纸张”的方法 
       结合上面提到的改进，将有可能实现107到108体素/秒的打印速率。然而，要想实现更显著的打印速度改进，需要全新的方法。 研究人员们受到了光板光学显微镜兴起的启发，目前正在开发了一种方法。第一束激光通过柱面透镜焦点定义了一层很薄的光波长平面平行。第二束激光出射不同的波长，把整个二维图像分成由项目定义的平面光片，通过第二个显微镜透镜光轴。这种二维图像利用空间光调制器，可以很容易地创建一百万个像素。
      这种方法的一个关键要素是“AND-photoresist”，将只有在两个光的波长上才能聚合存在于一定体积元素。不需要非线性光学意义上的双光子吸收，相反光片3D打印方法使用两个连续的单光子吸收过程，可以由两个不同的连续波激光器或两个不同的发光二极管诱导，而不是由一个飞秒激光诱导。然而，整个过程实际上是非线性的。光片的厚度决定了光轴方向的分辨率。
       在对这种合乎逻辑的“AND-photoresist”的初步测试中，研究人员们发现，如果选择适当的引发剂分子的中间态寿命，这种电阻的光敏性可以比目前的基于二光子吸收的电阻高几个数量级，从而使速度大大提高。所以，如果能成功地扩大光板技术的应用范围，3D打印技术将在微观尺度上达到一个新的水平。也许今天需要24小时的3D打印过程只需要几十秒就能完成，这要归功于将先进的光学技术和新颖的光化学技术相结合的技术。
走出实验室
       二十年前，双光子三维激光纳米打印技术被认为是一种新奇事物，自那时起，它已经取得了长足的进步。甚至当这项技术在12年前首次商业化时，一些人仍然认为“没有人需要3D打印”。而今天，全球超过1000名用户享受着3D制造技术的通用性和可靠性，而利用这种技术用于制造微型物件以前似乎很难甚至不可能做到。甚至有可能，随着未来的发展，这项技术可能会超越学术和工业用户，甚至作为一种“个人制造者”进入人们的家中。

图2：微流体技术与双光子纳米打印技术结合：将一个微流体腔体集成到一个商用双光子打印机中，可以创建由许多不同材料组成的三维结构(例如，打开的扩展图中显示的蓝图)